岩石三轴拉伸试验装置研制及其应用

为准确地测量岩石试样在不同围压作用下的拉伸强度与变形特性,对用于岩石三轴压缩试验的MTS815材料试验机为主体设备进行了一系列技术改造,一方面设计加工了一套试验机活塞与三轴室的随动连锁装置,使原本只能提供压缩载荷的MTS815试验机也能精确提供轴向拉伸荷载;另一方面设计开发一种多自由度岩石试样三轴拉伸夹具,解决岩石等脆性材料在拉伸过程中难以始终保持对中的技术难题。提出一套完整的测试技术方法,能实现0～140 MPa围压范围内各种岩石试件的复杂三轴直接拉伸测试研究,利用研发的配套装置与测试方法对页岩试样进行了三轴拉伸试验。结果表明,试验装置和试验方法完全能够进行不同围压条件下的岩石三轴拉伸试验,得到相应的三轴拉伸试验曲线;页岩在低围压和高围压下呈现不同的破坏特征和破坏形式,低围压下依然呈现脆性特征,高围压下则是由脆性向塑性转换。     

岩石空心圆柱扭剪仪试验能力

针对自行研制的岩石空心圆柱扭剪仪可独立控制4个加载参数（轴力、扭力、内围压和外围压）的功能,通过数学和力学分析,系统地整理出几种易于实现且符合实际工程的应力路径及加载方式：在轴力与内围压满足一定关系的前提下,可以获取岩石的抗拉强度,提供一种新型测量岩石抗拉强度的方法;通过控制内外围压及轴力,可以进行常规三轴试验与真三轴试验,克服了现阶段岩石真三轴试验中试验装置复杂、试样加载面摩擦大的缺点;在轴力与内、外围压分别满足一定关系时,可以分别实现平均应力p不变与中主应力系数b不变的应力路径,用于研究应力主轴旋转对岩石力学性质的影响。上述应力路径的实现对岩石力学性质的研究以及现阶段岩石室内试验的发展具有重要意义。     

砂岩加卸载条件下能耗特征试验研究

采用MTS815刚性伺服试验机,对砂岩进行了单轴、三轴压缩和三轴峰后卸围压试验,对比研究了砂岩在加卸载试验条件下的能耗特征。结果表明,单轴压缩各能耗指标值均小于三轴压缩和三轴峰后卸围压,三轴峰后卸围压介于单轴与三轴压缩之间。三轴压缩和三轴峰后卸围压各能耗指标均具有明显的围压效应,随着围压的升高而线性增大。单轴压缩时砂岩表现为突发性的脆性破坏,初期储存的弹性应变能瞬间几乎全部转化为耗散能,成为岩样破坏时所表现出的一切现象的源动力;三轴压缩时砂岩表现为从局部破坏到整体失稳的渐进过程,耗散能所占吸收能量的比例越来越大,表现为明显的能量耗散,能量耗散发展到一定程度表现为明显的能量释放,随即岩石整体失稳破坏。     

常规三轴压缩条件下的负乘方型岩石强度准则

为较高精度地评估岩石在不同围压条件下的三轴强度，根据岩石破坏时的主应力差与围压呈上凸的非线性特征，提出负乘方型强度准则。通过将该准则与Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则进行精度比较，结果表明，乘方型准则参数对围压变化具有较低的敏感度，且该准则可以更高精度地评估岩石三轴强度。应用公开发表文献中多种不同类型岩石的三轴试验数据，对负乘方型强度准则的适用性进行验证，结果显示，在不同围压条件下，该准则评估的岩石三轴强度与试验强度均非常一致，说明负乘方型准则对评估不同类型岩石的三轴强度具有较好的适用性；同时，通过与目前岩石力学界认为较好的指数型准则的比较，得到两种准则评估的岩石三轴强度平均相对误差MRE均在5%以内，其中负乘方型准则具有更高的精度。该准则可为深部岩石工程开挖与支护等设计提供参考。      

不同围压下岩石广义应力松弛特性试验研究

实际工程中有些岩体发生的流变性既不是纯蠕变又不是纯应力松弛,表现为应力和应变同时发生变化。利用可视化三轴压缩伺服控制试验系统,研究了不同围压条件下岩石的广义应力松弛特性,试验结果表明,岩石存在应变及应力同时增大、应变增大而应力减小、应变及应力都减小的情况,岩石蠕变和应力松弛行为属于岩石广义应力松弛现象的特例;在不同情况下的广义应力松弛过程中围压对岩石广义应力松弛特性的影响不甚相同,岩石轴向应变增大时围压越高岩石试件轴向变形越困难,岩石应变减小时围压越高岩石试件变形越明显。采用广义应力松弛试验方法,开展单轴及三轴压缩荷载作用下岩石广义应力松弛试验研究,对不同情况下岩石广义应力松弛特性的围压效应进行对比分析,以期对后期开展更深入的三轴广义应力松弛试验研究具有一定的指导和借鉴意义。     

海底隧道风化花岗岩流变试验研究

采用全自动三轴流变试验机对厦门东通道海底隧道风化槽地段岩石进行三轴压缩流变试验,研究了岩石在不同围压和不同应力水平作用下轴向应变随时间的变化规律。试验表明,强风化花岗岩时效特性较全风化花岗岩更加明显;围压对岩石蠕变变形存在很大影响,围压越大,蠕变变形量越小。通过分析岩石压缩流变过程中应力-应变关系可知,蠕变变形在弹性阶段不对岩石整体构成明显损伤。而进入塑性阶段后,黏塑性变形对岩石破坏影响较大。建议通过支护增加围压,以提高隧道围岩屈服强度和减小流变变形,防止隧道失稳破坏。     

广东地区红砂岩三轴压缩试验研究

针对广东地区的红砂岩,利用岩石三轴试验系统,开展不同围压条件下的饱水红砂岩的三轴压缩试验研究,得到了红砂岩在不同围压条件下的应力应变曲线,分析了红砂岩的变形特征和强度特征,并探讨了表现这些特征的原因。     

临界状态围压在岩石强度准则改进中的应用

岩石强度准则一般是通过低围压岩石力学试验提出,这些准则在高围压下得到的岩石强度比实测强度偏大。为解决这一问题,提出岩石临界状态围压的概念,并推导得到当围压达到临界状态围压时,偏应力为常数,临界断裂角为45°,以广泛使用的Mohr-Coulomb和Hoek-Brown准则为例,将其应用到准则的改进中。通过完整岩石三轴试验数据对改进准则的准确性和适用性进行验证,分析结果表明：应用岩石临界状态围压改进的强度准则参数对围压变化的敏感度较低,其不仅保持了原准则在低围压时评估岩石强度的一致性、准确性,而且在高围压时其评估的强度与试验强度较一致,解决了高应力条件下原强度准则高估岩石强度的问题。     

冻融循环条件下粗砂岩物理力学性质变化规律

岩体经受自然冻融循环过程后,其物理力学性质的劣化是引起岩石工程灾害的主要原因。借助于MTS815液伺服岩石试验系统对经历不同冻融循环次数的粗砂岩进行三轴压缩试验,研究经历不同冻融循环次数后岩石在不同围压下的强度和变形特性,分析冻融循环次数和围压对岩石强度和变形的影响规律。研究结果表明,在冻融循环次数一定的条件下,随着围压的增加,岩石的三轴抗压强度、弹性模量和峰值轴向应变逐渐增加,表明粗砂岩的破坏逐渐由脆性破坏向塑形破坏变化;在围压相同的情况下,随着冻融循环次数的增加,岩石的三轴抗压强度、弹性模量逐渐减小,峰值应力对应的轴向应变逐渐增加;随着冻融循环次数的增加,粗砂岩的黏聚力均呈指数衰减形式降低,内摩擦角变化很小。      

白云岩力学强度特性的孔隙影响研究

为了研究孔隙对白云岩力学特性的影响,从四川某地露头和深度大于5 000 m的深部白云岩地层进行了取样, 系统地研究了孔隙对白云岩的力学特性的影响。孔隙度是石油或天然气白云岩储层的重要特征之一。白云岩的试样孔隙度变化范围在6%～12%之间。在实验室对白云岩进行了单轴抗压强度试验、巴西劈裂法抗拉强度试验、直剪试验和三轴抗压强度试验。单轴抗压强度试验结果表明,岩石中孔隙度越高,岩石强度就越低。在不同围压作用下的多轴试验结果表明,在某一围压作用下,岩石的强度随着孔隙度的增加而减少;在相同孔隙度的岩石,应力偏量（三轴峰值应力）随着围压的增加而增加。介绍了孔隙岩石的MSDPu屈服本构模型,结果显示该模型能够较好地描述孔隙岩石的屈服特性。     

节理岩石卸载损伤破坏过程CT实时检测

在国内外首次利用CT专用岩石三轴试验加载设备,完成了单一裂纹岩石卸围压应力作用下损伤破坏全过程CT实时监测试验,得到了非常清晰的节理岩石卸围压破坏全过程中从裂纹发展、贯通到破坏等各个阶段的CT图像。结果表明,节理岩石的卸载破坏具有突发性。     

西藏贡觉粉砂质泥岩工程地质特性与蠕变强度研究

川藏铁路在穿越西藏贡觉地区时遇到三叠系粉砂质泥岩,在高地应力条件下容易发生大变形等危害。文章开展了不同围压下的岩石三轴压缩和和三轴蠕变试验,结合PFC数值模拟,研究了粉砂质泥岩在不同围压下的蠕变特性和长期强度研究,结果表明:贡觉粉砂质泥岩流变具有西原蠕变模型特征,蠕变与常规三轴试验条件下,随着围压不断增大,粉砂质泥岩试样均由拉-剪破坏向单剪破坏过渡,剪切破裂面与水平线的夹角逐渐减小,微裂纹数量减少;蠕变试验相较于常规三轴试验,由拉应力引起的压碎带影响范围更广;在高围压条件下,粉砂质泥岩更容易发生流变,随着围压的增大,轴向应变、侧向应变和体积应变均增大,微裂纹数量呈下降趋势;瞬时弹性模量及黏弹性系数与围压呈线性递增关系,黏弹性模量与围压呈对数型增长关系,黏塑性系数与围压呈指数型增长关系。在荷载长期作用下,岩石长期强度低于瞬时强度。     

攀枝花尖山矿区细中粒辉长岩力学特性试验研究

对攀枝花钒钛磁铁矿尖山矿区的细粒和中粒辉长岩进行了单轴压缩、常规三轴压缩、抗拉强度和软化等系列岩石力学试验,研究了岩石结构(矿物颗粒大小)、水和围压等因素对岩石强度和变形特性的影响。结果表明,细粒辉长岩单轴抗压强度、弹性模量和压拉比均高于中粒辉长岩,但在三轴压缩情况下,两种岩石的峰值强度、残余强度和弹性模量差异较小;与中粒辉长岩相比,细粒辉长岩的峰值强度的黏聚力C较大,而峰值强度的内摩擦角φ较小;随着围压的增长,辉长岩峰值强度、残余强度与围压近似呈线性关系,剪切破坏角减小,平均模量E增长不明显,割线模量E50增长较显著;辉长岩的软化系数较高,在水的作用下弹性模量降低,泊松比升高。     

三轴条件下岩石抗剪强度参数线性回归法的修正

岩石三轴强度包络线通常为非线性,通过线性回归法（LRM）获得的抗剪强度参数对围压的变化具有很高的敏感性。为使 LRM能够考虑围压对抗剪强度参数估计的影响,定义了岩石三轴强度围压效应系数,构造一个指数函数表示该系数与围压的关系,并将其引入到 LRM 的修正中,提出考虑围压效应的线性回归分析法（CCPE-LRM）。同时,提出了CCPE-LRM 的合理性检验方法,并定义了距离系数作为指标来表征抗剪强度参数估计值与参数实际值的差异。通过以公开发表文献中多种类型岩石的三轴强度数据为例进行验证分析,结果显示各种岩石的距离系数均较小,CCPE-LRM 获得的抗剪强度包络线紧贴摩尔圆,且近似相切状态。表明通过CCPE-LRM 获得的抗剪强度包络线在一定程度上可以代替理想抗剪强度包络线,该方法估计的抗剪强度参数与理论抗剪强度参数的一致性较高,证明CCPE-LRM 具有较好的适用性。     

大理岩常规三轴压缩下强度和变形特性的试验研究

通过在伺服试验机上对中、粗颗粒大理岩进行常规三轴试验,基于试验结果,研究了两种颗粒大理岩的强度和变形特性。结果表明,低围压时岩样内部材料并未均匀化,岩石表现为应变软化特性;而高围压时岩样内部材料强度由低到高逐渐屈服,变形趋于均匀,岩石出现塑性流动特性。岩石的峰值应变与围压显著成正线性关系;中颗粒和粗颗粒岩样之间确实存在差异,但内摩擦系数可以表征材料力学性质,与粒径没有关系;岩石残余强度对围压的敏感性显著高于峰值强度。     

两种应力路径下无烟煤的变形破坏特征及能量分析

煤矿井下巷道开挖及采煤是一个卸围压过程,与常规三轴压缩试验相比,煤岩在卸围压时表现出不同的力学性质。通过对常规三轴和卸围压两种应力路径下的试验研究发现,无论是常规三轴还是卸围压试验,高围压均导致煤样更大的应变和更强烈的破坏。在初始围压相同的情况下,与常规三轴试验相比,卸围压试验中峰值点割线模量较小、割线泊松比较大;煤样在卸围压时的破坏更强烈,侧向应变较大,而轴向应变差别不大。通过卸围压效应系数分析发现,初始围压越高和卸围压速率越大,煤样的卸围压效应系数越小,越易失稳破坏,与高围压下割线模量降低相一致。对常规三轴和卸围压试验中无烟煤破坏过程的能量变化分析结果表明,卸围压速率越快,煤样的极限储存能Up越小,煤样越易失稳破坏,验证了卸围压效应系数分析结果。高围压下常规三轴试验和卸围压试验中煤样的破坏需要更多的能量,揭示了高围压下煤样变形破坏强烈的多的原因。     

三轴压缩条件下三峡坝基岩石破裂的分形特征

根据分形理论,系统地研究了在三轴压缩条件下三峡坝基岩石破裂系和破损物的分形结构。结果表明,在三轴压缩条件下,岩石脆性破裂的破裂系和岩石破损物的粒度分布均有很好的统计自相似性。在不同的围压和应变率下,岩石脆性破裂的分维值各不相同,体现了岩石脆性断裂机制的差异性。分维可作为描述岩石脆性断裂的定量参数     

卸载速率对北山花岗岩强度影响研究

为了更准确地认识卸荷速率对北山花岗岩力学性质的影响,使用MTS815岩石试验系统进行了不同围压下不同卸荷速率的三轴试验。试验采用加轴压卸围压的方式,设置0.1、1.5、2.0 MPa/min三种围压卸载速率,轴压加载速率是围岩卸载速率的10倍,初始围岩设置为5、10、15、20、30 MPa。加卸载过程用力控制,试验过程中用轴向引伸计和环向引伸计记录轴向变形和环向变形,研究加载速率对岩石强度、c、φ值的影响,并基于弹性能建立卸载速率影响系数。研究结果表明,(1)卸载试验岩石破坏均表现明显的脆性破坏特征,随着卸载速率增加,强度升高;(2)随着卸载速率增加,c值增大,φ值基本不变;(3)卸载速率主要通过应力调整滞后和卸载附加应力对岩石强度、c、φ值造成影响;(4)基于弹性能建立了影响系数,表征卸载速率对岩石破坏的影响程度,表明同一围压下卸载速率增加,影响系数增大,岩石破坏剧烈程度增加,同一卸载速率时,围压增加,影响系数减小,受围压的限制,岩石破坏剧烈程度降低。     

基于损伤控制方法的大理岩非线性剪胀特性试验研究

剪胀角是描述岩石体积膨胀扩容的常用参数,在非关联流动法则中,连续介质理论通常假设剪胀角为0;在关联流动法则中,其值恒定且等于内摩擦角。岩石三轴压缩全过程体应变曲线表明,其体积剪胀性依赖于围压和塑性参量,破坏过程中不仅其特征强度随围压和塑性参量呈非线性变化,而且剪胀特性也表现出非线性特征。基于塑性力学理论,针对锦屏大理岩损伤控制的全过程三轴加、卸载试验,采用双参数非线性函数拟合方法建立了能同时考虑围压效应和塑性参量的非线性剪胀角模型。结果表明,对于大理岩、中硬岩,在破坏过程中扩容行为强烈依赖围压和岩石塑性参量,均表现出先快速增加至峰值后,随着塑性变形增加逐渐减小的非线性演化规律。提出的双参数非线性剪胀角模型很好地描述了岩石破坏过程中的体积扩容特性,其结果对于研究地下工程围岩应力变化诱发的围岩剪胀破坏机制、体积扩容膨胀区范围预测和围岩支护的合理设计均具有一定的理论和工程应用价值。     

岩石加卸荷破坏细观机理CT实时分析

利用与CT(computerizedtomography)机配套的专用岩石三轴加载试验设备 ,采用CT实时试验的手段对连续加载试验条件下和卸围压应力作用下砂岩破坏细观机理进行了对比研究。结果表明 ,岩石的卸荷损伤演化破坏具有突发性 ,卸围压破坏导致的扩容比连续加载破坏时大.